CN115163011A - 一种地热资源自动控压循环除砂开采系统及开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对流传热和固液两相分离技术领域，具体地说是一种地热资源自动控压循环除砂开采系统及开采方法，其特征在于该系统包括空气压缩机、稳压罐、开采管路、回灌管路、储水池、螺旋对流换热器、换热池、循环泵、沉砂池，该系统没有多重过滤和多级沉淀过程，也没有设置曲折的管道，有助于降低水流的沿程阻力，减少了能量多级转换过程，可以实现大泵量水‑沙石颗粒连续分离的同时，实现连续对流换热的工艺需求；降低回灌水的含沙量，避免回灌井沉沙堵塞储层裂缝，提高地热资源的开采效率。

Description

一种地热资源自动控压循环除砂开采系统及开采方法

技术领域

本发明涉及对流传热和固液两相分离技术领域，具体地说是一种系统简单、效率高、能量利用率高、系统运行稳定的地热资源自动控压循环除砂开采系统及开采方法。

背景技术

众所周知，对流换热技术和固液分离工艺是地热资源开采过程不可忽视的环节。现有的地热资源利用方式一般是将地热水是通过射流泵或者泵送机构进行采水，为了降低后续管路的磨损，通常地热水采出后沉淀池内沉砂，沉砂之后上方的水再进行换热。在此过程中，由于沉淀池用于静置沉砂，因此，沉淀池通常是是非常大且非常深的结构，静置沉砂的时间很长，因此，热量损失也非常大，特别是采用泵送机构输送，在静置沉砂的过程中也存在泵送水的冲击导致水的流动，流动的水流对沉淀和过滤工艺均有较大的扰动作用，沉沙效果较差。为了增大资源利用率，减少地下水的损失和地层压力的不均衡，在取热后还需将低温地热水再次泵送至地层内，实现取热不采水的过程。由于地热储层导流能力的限制，再次将水回灌地层时需要较大的压力，才能将水压入水力裂缝内。泵送采水、压力回灌水两个过程需要消耗大量的能源，并不能实现节约能源的作用，而且采水和回灌水的过程中，回灌水的所需的压力必然要大于采水的压力，因此，通常状态下回灌水和采水的过程就必须通过不同的泵送机构进行，需要的设备比较多，占地面积比较大，而且造成了能源的浪费。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种系统简单、效率高、能量利用率高、系统运行稳定的地热资源自动控压循环除砂开采系统及开采方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种地热资源自动控压循环除砂开采系统，其特征在于该系统包括空气压缩机、稳压罐、开采管路、回灌管路、储水池、螺旋对流换热器、换热池、循环泵、沉砂池，所述的开采管路和回灌管路的下端分别伸进开采井和回灌井底部，开采管路和回灌管路的稳压口分别与稳压罐连接，稳压罐与空气压缩机连接，开采管路的出水口经管路与螺旋对流换热器连接，所述的螺旋对流换热器包括涡流筒、锥筒、换热筒、螺旋换热叶片、溢流管，所述的涡流筒上设有进料口，进料口经管路与开采管路的出水口连接，涡流筒的下方连接锥筒，锥筒的外壁上包裹换热筒，换热筒内壁和锥筒外壁之间缠绕螺旋换热叶片，换热筒下方的进水口经管路、循环泵与换热池的出口连接，换热筒上方的出水口经管路与换热池进口连接，螺旋对流换热器的涡流筒上方连接溢流管，溢流管的下端伸进涡流筒内，溢流管的上端伸出涡流筒经管道与储水池连接，锥筒的下端的沉砂口经管道与沉砂池连通，沉砂池的出水口经管路、循环泵与储水池连通，储水池的出水口经管路、循环泵与回灌管路的进水口连通。

本发明所述的开采管路和回灌管路分别与开采稳压罐和回灌稳压罐连接，开采稳压罐和回灌稳压罐之间经自动调压机构连接，所述的自动调压机构包括调压套、调压底座、弹簧、上活塞、连杆、下活塞；调压套设为下方开口的筒状结构，调压套的直径小于调压底座的直径，调压套设在调压底座的上方并固定在调压底座且偏离调压底座中心的位置，所述的调压套内上方连接弹簧，弹簧的下端与上活塞固定连接，上活塞与调压套的内壁密封滑动连接，调压套的内壁上端侧面设有上排气孔，调压套侧壁上排气孔下方设有下排气孔，上排气孔和下排气孔设在远离调压底座中心的一侧。上活塞初始状态下，下排气孔的下沿与上活塞的上端面平齐，所述的上活塞的下端连接连杆，连杆下端连接下活塞，下活塞伸进调压底座上设有的下滑槽内， 下滑槽的槽壁与下活塞密封滑动连接，所述的连杆的外径小于下活塞的外径，所述的下滑槽的侧面的调压底座上设有横向的回灌排气孔，横向的回灌排气孔下方设有下导气孔，下导气孔的上端与回灌排气孔连通，下导气孔的下端侧面设有连通孔，连通孔与下活塞下方和下滑槽槽底之间的腔隙连通。下活塞初始状态下，下活塞的上端面与回灌排气孔的下沿平齐；所述的调压套下方侧壁上设有进气孔，所述的进气孔与空气压缩机出气管连通；上排气孔和下排气孔经开采稳压管路与开采管路稳压口连通，回灌排气孔与回灌稳压管路的回灌管路稳压口连通。

本发明所述的下排气孔和回灌排气孔的直径与上活塞和下活塞的高度相同，同时该高度与上活塞和下活塞自行程上限或行程下限移动至弹簧恢复初始长度的距离相同，上活塞和下活塞的上行和下行极限距离为2H。

本发明所述的储水箱与回灌管路之间的管路上连接的循环泵为高压柱塞泵，通过高压柱塞泵实现回灌，高压柱塞泵与回灌管路之间的管路上安装单向阀，防止井内流体的倒灌。

本发明所述的回灌管路和开采管路都包括内管和外管，所述的内管的下端伸直外管的底部，内管作为输水管，外管的上端与内管的外壁之间封闭，外管上端侧壁设有进气口，进气口通过管道与稳压罐连接。

本发明所述的沉砂口与沉砂池之间连接的管道的底部部分的管道设为泄压管道，所述的泄压管道的内径由上朝向下方直径逐渐减小，泄压管道的管壁上均布设有泄压孔，由于泄压管道的内径逐渐减小，而压力增大，可以将水经过侧面的泄压孔排出，避免因为通径管路直接对沉砂池底部的沉砂进行冲击。

本发明所述的开采管路的出水口与螺旋对流换热器之间设有泄压扩口管，泄压扩口管的缩口端与开采管路的出水口一侧连接，泄压扩口管的扩口端与螺旋对流换热器中涡流筒进料口连接，通过泄压扩口管实现取水的泄压，保证进入螺旋对流换热器入口的流速不小于9.0m/s，以达到最佳除砂和换热效率率。

一种地热资源自动控压循环除砂开采系统的开采方法，其特征在于开采步骤如下：

（1）首先进行压力试验，采用空气压缩机向回灌井注入高压空气，测试不同压力下开采井的涌水量与回灌井注入压力的关系，根据开采井的深度设置开采井稳压罐的压力数值P₂（P₂=ρgh），ρ为水的密度，g为当地重力加速度，h为开采井的深度，回灌井稳压罐的压力P₁要高于开采井稳压罐的压力P₂，并且满足P₁≥P₂+∆P，∆P为回灌井与开采井之间水力裂缝的沿程压力损失，在回灌井稳压罐逐渐升压至P₁的过程中，地热储层中的高温水源在压力的驱替作用下逐渐沿着水力裂缝向开采井流动，然后，启动与螺旋对流换热器连接的水力循环泵，使储水箱、水力循环泵、螺旋对流换热器形成闭式循环；

（2）空气压缩机将压缩空气通过自动调压系统注入回灌井稳压罐和开采井稳压罐，自动调压系统参数设计要求如下：

在正常未注气状态下，上活塞、连杆和下活塞的重力与弹簧的弹力相等，此时活塞受力平衡，整个活塞连杆系统处于行程的最低点，最低点位于回灌排气孔和连通孔之间，并且下活塞的上端面与回灌排气孔的下沿平齐，此时进气孔与回灌稳压罐连通，F_弹=（m_上活塞+m_连杆+m_下活塞）g=-kH，其中负号仅代表弹力的方向，g为当地重力加速度，k为弹簧的弹力系数，H为弹簧被拉伸的长度，

当开始注气时，注入的气体从进气孔流入调压套，并经过连通孔、下导气孔和回灌排气孔排出，由于下活塞距离下滑槽的底部还有腔隙，并且这部分腔隙经过连通孔、下导气孔和回灌排气孔流出气体的路径连通，所以部分气体流入下活塞的底部空腔内，并对下活塞形成推力，下活塞受力改变逐渐而向上运动，弹簧的弹力降低，注气压力抵消弹力和活塞连杆的重力，随着注气压力的增加，活塞上行的距离逐渐增大。

当回灌稳压罐的压力达到P1时，活塞上行的高度为H，弹簧恢复原始长度弹力为0，下活塞的推力与活塞连杆系统的重力相等，此时活塞连杆的合力为0，即P1*s2=（m上活塞+m连杆+m下活塞）g，此时回灌排气孔恰好被下活塞完全封闭而下排气孔处于恰好刚要开启的状态，调压套内腔的压力恢复为0，由于此时活塞连杆的合力为0，但是活塞连杆的速度不为0，所以活塞继续保持向上运行的状态，自动调压系统经过下排气孔向开采井稳压罐注气，由于弹簧腔经过上排气孔与下排气孔的流道连通，因此部分气体也会流入弹簧腔，并且弹簧腔内气体的压力与开采井稳压罐的压力相同。

随着活塞连杆上行距离的继续增大，弹簧逐渐被压缩，弹力的方向改变为向下，但是活塞运动的方向尚未改变，因此活塞保持上行并逐渐减速，当活塞上行速率降低至0时，活塞上行的距离为H，达到弹簧的压缩极限，此时下排气孔完全打开，此时回灌稳压罐内的压力为P，活塞连杆系统受到的合力为KH+P*(S3+S4-S1)- (m_上活塞18+m_连杆19+m_下活塞20）g-P₃*S₂，其中S3为上活塞的上端面面积，S2为下活塞下端面的面积，S1为上活塞的下端面面积与连杆截面面积之差，S4为下活塞上端面面积与连杆截面面积之差，P3为回灌井稳压罐的残余压力，由于地下高温地热水在压力作用下不断向开采井底部汇聚，因此开采井稳压罐的压力在降低，活塞连杆19系统合力不为0，在合力作用下，活塞下行，开采稳压罐继续增压，当开采井稳压罐压力达到P2时，弹簧再次恢复原始长度，活塞下行的距离为H，此时活塞连杆的合力再次为0，即P2*(S3+S4-S1)= (m_上活塞18+m_连杆19+m_下活塞20）g+P₄*S₂，S3为上活塞的上端面面积，S2为下活塞下端面的面积，S1为上活塞的下端面面积与连杆截面面积之差，S4为下活塞上端面面积与连杆截面面积之差，P4为回灌井稳压罐的残余压力，此时活塞从顶点下行的高度为H，而活塞处于下行速率的最大值，因此活塞保持下行并逐渐减速，回灌排气孔逐渐打开，并向回灌稳压罐注气增压，如此循环，实现回灌井稳压罐与开采井稳压罐压力的自动调节；

（3）当回灌井的稳压罐的压力达到P1以后，在自动调压机构的作用下，同时向开采井稳压罐和开采井注气。在向开采井稳压罐逐渐增压的过程中，由于地热储层的高温地热水，在回灌井内压缩空气的驱替作用下，沿着水力裂缝向开采井流动，因此回灌稳压罐内的气体经过回灌管路中的外管与内管之间的间隙不断注入回灌井，所以回灌井稳压罐的压力也是逐渐降低的。当开采井稳压罐的压力达到设定压力P2后，此时在开采井底部汇集的高温地热水在高压空气的驱替与举升作用下沿开采井的内部井管流出地面，并从螺旋对流换热器的切向入口快速流入。地热井采出的高温水中含有部分的泥沙颗粒，在螺旋对流换热器中，含有泥沙颗粒的高温水形成螺旋流，并且由于水和泥沙颗粒受到的离心力不同，而出现分层的现象，泥沙颗粒在螺旋对流换热器的涡流筒和锥筒沿壁面和部分水流落入沉沙口的沉砂池。从螺旋对流换热器流出的沙石颗粒被相对集中的收集在沉砂池的底部，此外，在螺旋对流换热器中，内层旋流的流体在高速作用下会导致溢流口会产生负压，这对内层旋流具有抽吸作用，因此在与换热介质完成对流换热过程后，低温地热水从螺旋对流换热器上部溢流口流出，从螺旋换热器流出的低温水经过储水箱中下部的注入口流入，此时水会在储水箱内完成一次沉积过程，之后从上部出口经高压柱塞泵抽出，经过管道和单向阀注入回灌井内。所述的沉砂池的水在达到一定水位后也补充至储水箱中，并随储水箱中的水经过高压柱塞泵一起回灌地下，所述的高压柱塞泵的压力要求如下：P柱塞泵>P1，在回灌时间大于5分钟后，打开回灌井稳压罐的阀门，高压空气沿着回灌井套管与井管的间隙注入回灌井中，首先会在回灌井的上部聚集，回灌水在井筒下部；随着压力的增加，在单向阀的作用下，逐渐将回灌井内的低温水再次沿水力裂缝注入地热储层，低温水在水力裂缝中与地热储层完成对流传热后转变为高温水，并在回灌井井内高压空气的驱替作用下再次流入并汇集在开采井底部，在开采井稳压罐高压空气的驱替与举升作用下，开采井底部汇集的高温地热水再次注入螺旋对流换热器中，实现除砂和对流换热的过程，由于回灌井井内的压力始终大于开采井井内的压力，所以此过程可以循环往复，实现地热资源的取热不采水过程，并且将除砂与对流传热的过程集中在一起。

本发明提供了一种利用回灌井和开采井的压力差，实现地热资源循环开采的系统，可以通过一台空压机通过自动调压机构同时控制回灌井和开采井的压力，同时将除砂和换热过程集中在螺旋对流换热器中，节省设备和占地面积的同时，增加了能量有效利用率，能够更高效地实现地热资源取热不取水地开采过程，针对目前地热资源开采过程除砂工艺和对流换热工艺分别进行，多次沉淀与过滤工艺耗时长效率低，并且多次分级实现水-沙石分离过程管道曲折占地面积大，能量多级转换导致有效利用率低的问题；为有效节约资源和提高换热除砂效率，本发明提供一种换热与除砂同时进行的取热不采水地热循环开采系统，没有多重过滤和多级沉淀过程，也没有设置曲折的管道，降低水流的沿程阻力，减少了能量多级转换，可以实现大泵量水-沙石颗粒的连续分离的同时，实现对流换热的连续工艺需求，提高地热资源的开采效率。

本发明的有益效果：

1、本发明将地热开采过程的取热与除砂工艺集中在一起，避免布置曲折的管路和多重沉淀过滤的工艺，提高了大排量连续固液两相流的分离效率。

2、由于将设有自动调压机构，可以采用一台空气压缩机对两个不同压力罐的压力进行自动调压，维持回灌井与开采井之间压力差，促使地热储层高温水源持续向开采井运移，降低了能耗，减少设备是用来和占地面积，保证系统运行稳定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中螺旋对流换热器的结构示意图。

图3是图1中自动调压机构的结构示意图。

图4是朝向回灌稳压罐注气时自动调压机构内部气体流向图。

图5是朝向开采稳压罐注气时主动调压机构内部气体流向图。

图6是本发明泄压管道的结构示意图。

图7是本发明泄压扩口管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如附图所示，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种地热资源自动控压循环除砂开采系统，其特征在于该系统包括空气压缩机1、稳压罐、开采管路2、回灌管路3、储水池4、螺旋对流换热器5、换热池6、循环泵7、沉砂池8，所述的开采管路2和回灌管路3的下端分别伸进开采井和回灌井底部，开采管路2和回灌管路3的稳压口分别与稳压罐连接，稳压罐与空气压缩机1连接，开采管路2的出水口经管路与螺旋对流换热器5连接，所述的螺旋对流换热器5包括涡流筒9、锥筒10、换热筒11、螺旋换热叶片12、溢流管13，所述的涡流筒9上设有进料口，进料口经管路与开采管路2的出水口连接，涡流筒9的下方连接锥筒10，锥筒10的外壁上包裹换热筒11，换热筒11内壁和锥筒10外壁之间缠绕螺旋换热叶片12，换热筒11下方的进水口经管路与换热池6的出口连接，换热筒11上方的出水口经管路、循环泵7与换热池6进口连接，螺旋对流换热器5的涡流筒9上方连接溢流管13，溢流管13的下端伸进涡流筒9内，溢流管13的上端伸出涡流筒9经管道与储水池4连接，锥筒10的下端的沉砂口经管道与沉砂池8连通，沉砂池8的出水口经管路、循环泵7与储水池4连通，储水池4的出水口经管路、循环泵7与回灌管路3的进水口连通。

进一步，所述的开采管路2和回灌管路3分别与开采稳压罐32和回灌稳压罐33连接，开采稳压罐32和回灌稳压罐33之间经自动调压机构14连接，所述的自动调压机构14包括调压套15、调压底座16、弹簧17、上活塞18、连杆19、下活塞20，调压套15设为下方开口的筒状结构，调压套15的直径小于调压底座16的直径，调压套15设在调压底座16的上方并固定在调压底座16且偏离调压底座16中心地位置，所述的调压套15内上方连接弹簧17，弹簧17的下端与上活塞18固定连接，上活塞18与调压套15的内壁密封滑动连接，调压套15的内壁上端侧面设有上排气孔21，调压套15侧壁上排气孔21下方设有下排气孔22，上排气孔21和下排气孔22设在远离调压底座16中心的一侧，上活塞18初始状态下，下排气孔22的下沿与上活塞18的上端面平齐，所述的上活塞18的下端连接连杆19，连杆19下端连接下活塞20，下活塞20伸进调压底座16上设有的下滑槽23内，下滑槽23的槽壁与下活塞20密封滑动连接，所述的连杆19的外径小于下活塞20的外径，所述的下滑槽23的侧面的调压底座16上设有横向的回灌排气孔24，横向的回灌排气孔24下方设有下导气孔25，下导气孔25的上端与回灌排气孔24连通，下导气孔25的下端侧面设有连通孔26，连通孔26与下活塞20下方和下滑槽23槽底之间的腔隙连通，下活塞20初始状态下，下活塞20的上端面与回灌排气孔24的下沿平齐，所述的调压套15下方侧壁上设有进气孔27，所述的进气孔27与空气压缩机1出气管连通，上排气孔21和下排气孔22经开采稳压管路与开采管路2进气口连通，回灌排气孔24与回灌稳压管路的回灌管路3进气口连通，进气孔27设在靠近调压底座16中心的一侧。

进一步，所述的下排气孔22和回灌排气孔24的直径与上活塞18和下活塞20的高度相同，同时该高度与上活塞18和下活塞20自行程上限或行程下限移动至弹簧17恢复初始长度的距离相同，通过上活塞18和下活塞20的上行和下行极限距离为2H。

进一步，所述的储水箱与回灌管路3之间的管路上连接的循环泵为高压柱塞泵28，通过高压柱塞泵28实现回灌，高压柱塞泵28与回灌管路3之间的管路上安装单向阀，防止井内流体的倒灌。

进一步，所述的回灌管路3和开采管路2都包括内管和外管，所述的内管的下端伸直外管的底部，内管作为输水管，外管的上端与内管的外壁之间封闭，外管上端侧壁设有进气口，进气口通过管道与稳压罐连接。

所述的自动调压机构与回灌稳压罐33和开采稳压罐32之间的管路上安装单向阀，通过单向阀防止稳压罐内的气体回流。

进一步，所述的沉砂口与沉砂池8之间连接的管道的底部部分的管道设为泄压管道29，所述的泄压管道29的内径由上朝向下方直径逐渐减小，泄压管道29的管壁上均布设有泄压孔30，由于泄压管道29的内径逐渐减小，而压力增大，可以将水经过侧面的泄压孔30排出，避免因为管路通径，直接对沉砂池8底部的沉砂进行冲击。

进一步，所述的开采管路2的出水口与螺旋对流换热器5之间设有泄压扩口管31，泄压扩口管31的缩口端与开采管路2的出水口连接，泄压扩口管31的扩口端与螺旋对流换热器5中涡流筒9进料口连接，通过泄压扩口管31实现取水的泄压，保证进入螺旋对流换热器5入口的流速不小于9.0m/s，以达到最佳除砂和换热效率，若通过开采稳压罐32的压力调节可直接实现入口流速不小于9.0m/s时，其可不采用泄压扩口管。

本发明的开采步骤如下：

（1）首先进行压力试验，采用空气压缩机1向回灌井注入高压空气，测试不同压力下开采井的涌水量与回灌井注入压力的关系，根据开采井的深度设置开采井稳压罐的压力数值P₂（P₂=ρgh），ρ为水的密度，g为当地重力加速度，h为开采井的深度，回灌井稳压罐的压力P₁要高于开采井稳压罐的压力P₂，并且满足P₁≥P₂+∆P，∆P为回灌井与开采井之间水力裂缝的沿程压力损失，在回灌井稳压罐逐渐升压至P₁的过程中，地热储层中的高温水源在压力的驱替作用下逐渐沿着水力裂缝向开采井流动，然后，启动与螺旋对流换热器5连接的水力循环泵7，使储水箱、水力循环泵7、螺旋对流换热器5形成闭式循环；

（2）空气压缩机1将压缩空气通过自动调压系统注入回灌井稳压罐和开采井稳压罐，自动调压系统参数设计要求如下：

在正常未注气状态下，上活塞18、连杆19和下活塞20的重力与弹簧17的弹力相等，此时活塞受力平衡，整个活塞连杆19系统处于行程的最低点，最低点位于回灌排气孔24和连通孔26之间，并且下活塞20的上端面与回灌排气孔24的下沿平齐，此时进气孔27与回灌稳压罐33连通，F_弹=（m_上活塞18+m_连杆19+m_下活塞20）g=-kH，其中负号仅代表弹力的方向，g为当地重力加速度，k为弹簧17的弹力系数，H为弹簧17被拉伸的长度，

当开始注气时，注入的气体从进气孔27流入调压套15，并经过连通孔26、下导气孔25和回灌排气孔24排出，由于下活塞20距离下滑槽23的底部还有腔隙，并且这部分腔隙经过连通孔26、下导气孔25和回灌排气孔24流出气体的路径连通，所以部分气体流入下活塞20的底部空腔内，并对下活塞20形成推力，下活塞20受力改变逐渐而向上运动，弹簧17的弹力降低，注气压力抵消弹力和活塞连杆的重力，随着注气压力的增加，活塞上行的距离逐渐增大。

当回灌稳压罐33的压力达到P1时，活塞上行的高度为H，弹簧17恢复原始长度弹力为0，下活塞20的推力与活塞连杆系统的重力相等，此时活塞连杆的合力为0，即P1*s2=（m上活塞+m连杆+m下活塞）g，即P1*s2=（m_上活塞18+m_连杆19+m_下活塞20）g，此时回灌排气孔24恰好被下活塞20完全封闭而下排气孔22处于恰好刚要开启的状态， 调压套15内腔的压力恢复为0，由于此时活塞连杆19的合力为0，但是活塞连杆的速度不为0，所以活塞继续保持向上运行的状态，自动调压系统经过下排气孔22向开采井稳压罐注气注气，由于弹簧17腔经过上排气孔21与下排气孔22的流道连通，因此部分气体也会流入弹簧17腔，并且弹簧17腔内气体的压力与开采井稳压罐的压力相同，

随着活塞连杆上行距离的继续增大，弹簧17逐渐被压缩，弹力的方向改变为向下，但是活塞运动的方向尚未改变，因此活塞保持上行并逐渐减速，当活塞上行速率降低至0时，活塞上行的距离为H，达到弹簧17的压缩极限，此时下排气孔22完全打开，此时回灌稳压罐33内的压力为P，活塞连杆19系统受到的合力为KH+P*(S3+S4-S1)- (m_上活塞18+m_连杆19+m_下活塞20）g-P₃*S₂，其中S3为上活塞的上端面面积，S2为下活塞下端面的面积，S1为上活塞的下端面面积与连杆截面面积之差，S4为下活塞上端面面积与连杆截面面积之差，P3为回灌井稳压罐的残余压力，由于地下高温地热水在压力作用下不断向开采井底部汇聚，因此开采井稳压罐的压力在降低，活塞连杆19系统合力不为0，在合力作用下，活塞下行，开采稳压罐32继续增压，当开采井稳压罐压力达到P2时，弹簧17再次恢复原始长度，活塞下行的距离为H，此时活塞连杆19的合力再次为0，即P2*(S3+S4-S1)= (m_上活塞18+m_连杆19+m_下活塞20）g+P₄*S₂，S3为上活塞的上端面面积，S2为下活塞下端面的面积，S1为上活塞的下端面面积与连杆截面面积之差，S4为下活塞上端面面积与连杆截面面积之差，P4为回灌井稳压罐的残余压力。此时活塞从顶点下行的高度为H，而活塞处于下行速率的最大值，因此活塞保持下行并逐渐减速，回灌排气孔24逐渐打开，并向回灌稳压罐33注气增压，如此循环实现，回灌井稳压罐与开采井稳压罐压力的自动调节；

（3）当回灌井的稳压罐33的压力达到P1以后，在自动调压机构14的作用下，同时向开采井稳压罐32和开采井注气。在向开采井稳压罐32逐渐增压的过程中，由于地热储层的高温地热水，在回灌井内压缩空气的驱替作用下，沿着水力裂缝向开采井流动，因此回灌稳压罐内33的气体经过回灌管路中的外管与内管之间的间隙不断注入回灌井，所以回灌井稳压罐33的压力也是逐渐降低的。当压力达到设定压力P2后，打开开采井的阀门，此时在开采井底部汇集的高温地热水在高压空气的驱替与举升作用下沿开采井的内部井管流出地面，并从螺旋对流换热器5的切向入口快速流入，地热井采出的高温水中含有部分的泥沙颗粒，在螺旋对流换热器5中，含有泥沙颗粒的高温水形成螺旋流，并且由于水和泥沙颗粒受到的离心力不同，而出现分层的现象，泥沙颗粒在螺旋对流换热器5的涡流筒9和锥筒10沿壁面和部分水流落入沉沙口的沉砂池8，从螺旋对流换热器5流出的沙石颗粒被相对集中的收集在沉砂池8的底部，此外，在螺旋对流换热器5中，内层旋流的流体在高速作用下会导致溢流口产生负压，这对内层旋流具有抽吸作用，因此在与换热介质完成换热过程后，低温地热水从螺旋对流换热器5上部溢流口流出，从螺旋换热器流出的低温水经过储水箱中下部的注入口流入，此时水会在储水箱内完成一次沉积过程，之后从上部出口经高压柱塞泵28抽出，经过单向阀注入回灌井内，所述的沉砂池8的水在达到一定水位后也补充至储水箱中，并随储水箱中的水经过高压柱塞泵28一起回灌地下，所述的高压柱塞泵28的压力要求如下：P柱塞泵>P1，在回灌时间大于5分钟后，打开回灌井稳压罐33的阀门，高压空气沿着回灌井外管与内管的间隙注入回灌井中，首先会在回灌井的上部聚集，回灌水在井筒下部；随着压力的增加，在单向阀的作用下，逐渐将回灌井内的低温水再次沿水力裂缝注入地热储层，低温水在水力裂缝中与地热储层完成对流传热后转变为高温水，并在回灌井井内高压空气的驱替作用下再次流入并汇集在开采井底部，在开采井稳压罐高压空气的驱替与举升作用下，开采井底部汇集的高温地热水再次注入螺旋对流换热器5中，实现除砂和对流换热的过程，由于回灌井井内的压力始终大于开采井井内的压力，所以此过程可以循环往复，实现地热资源的取热不采水过程，并且将除砂与对流传热的过程集中在一起。

本发明由于采用一个空气压缩机1通过自动调压机构14同时调节两个不同压力的稳压罐，可以通过一个自动调压机构14实现两个稳压罐的稳定输气，同时由于自动调压机构14中的调压筒的进气口设在靠近调压底座16中心的一侧、上排气孔21和下排气孔22设在远离调压底座16中心的一侧，进而进气口一侧的配重大，在进气口进行充气时可以增大进气口一侧的配重，避免气流突然增大导致整个自动调压机构14的振动，保证自动调压机构14的稳定性。

针对目前地热资源开采过程除砂工艺和对流换热工艺分别进行，多次沉淀与过滤工艺耗时长效率低，并且多次分级实现水-沙石分离过程管道曲折占地面积大，能量多级转换导致有效利用率低的问题；为有效节约资源和提高换热除砂效率，本发明提供一种换热与除砂同时进行的取热不采水地热循环开采系统，没有多重过滤和多级沉淀过程，也没有设置曲折的管道，降低水流的沿程阻力，减少了能量多级转换，可以实现大泵量水-沙石颗粒的连续分离的同时，实现对流换热的连续工艺需求，提高地热资源的开采效率。

Claims (8)

1.一种地热资源自动控压循环除砂开采系统，其特征在于该系统包括空气压缩机、稳压罐、开采管路、回灌管路、储水池、螺旋对流换热器、换热池、循环泵、沉砂池，所述的开采管路和回灌管路的下端分别伸进开采井和回灌井底部，开采管路和回灌管路的稳压口分别与稳压罐连接，稳压罐与空气压缩机连接，开采管路的出水口经管路与螺旋对流换热器连接，所述的螺旋对流换热器包括涡流筒、锥筒、换热筒、螺旋换热叶片、溢流管；所述的涡流筒上设有进料口，进料口经管路与开采管路的出水口连接；涡流筒的下方连接锥筒，锥筒的外壁上包裹换热筒，换热筒内壁和锥筒外壁之间缠绕螺旋换热叶片；换热筒下方的进水口经管路、循环泵与换热池的出口连接，换热筒上方的出水口径管路与换热池进口连接；螺旋对流换热器的涡流筒上方连接溢流管，溢流管的下端伸进涡流筒内，溢流管的上端伸出涡流筒经管道与储水池连接，锥筒的下端的沉砂口经管道与沉砂池连通，沉砂池的出水口经管路、循环泵与储水池连通，储水池的出水口经管路、循环泵与回灌管路的进水口连通。

2.根据权利要求1所述的一种地热资源自动控压循环除砂开采系统，其特征在于所述的开采管路和回灌管路分别与开采稳压罐和回灌稳压罐连接；开采稳压罐和回灌稳压罐之间经自动调压机构连接，所述的自动调压机构包括调压套、调压底座、弹簧、上活塞、连杆、下活塞；调压套设为下方开口的筒状结构，调压套的直径小于调压底座的直径，调压套设在调压底座的上方并固定在调压底座且偏离调压底座中心的位置，所述的调压套内上方连接弹簧，弹簧的下端与上活塞固定连接，上活塞与调压套的内壁密封滑动连接，调压套的内壁上端侧面设有上排气孔，调压套侧壁上排气孔下方设有下排气孔，上排气孔和下排气孔设在远离调压底座中心的一侧，上活塞初始状态下，下排气孔的下沿与上活塞的上端面平齐，所述的上活塞的下端连接连杆，连杆下端连接下活塞，下活塞伸进调压底座上设有的下滑槽内， 下滑槽的槽壁与下活塞密封滑动连接，所述的连杆的外径小于下活塞的外径，所述的下滑槽的侧面的调压底座上设有横向的回灌排气孔，横向的回灌排气孔下方设有下导气孔，下导气孔的上端与回灌排气孔连通，下导气孔的下端侧面设有连通孔，连通孔与下活塞下方和下滑槽槽底之间的腔隙连通，下活塞初始状态下，下活塞的上端面与回灌排气孔的下沿平齐；所述的调压套下方侧壁上设有进气孔，所述的进气孔与空气压缩机出气管连通；上排气孔和下排气孔经开采稳压管路与开采管路稳压口连通，回灌排气孔与回灌稳压管路的回灌管路稳压口连通。

3.根据权利要求1所述的一种地热资源自动控压循环除砂开采系统，其特征在于所述的下排气孔和回灌排气孔的直径与上活塞和下活塞的高度相同，同时该高度与上活塞和下活塞自行程上限或行程下限移动至弹簧恢复初始长度的距离相同，上活塞和下活塞的上行和下行极限距离为2H。

4.根据权利要求1所述的一种地热资源自动控压循环除砂开采系统，其特征在于所述的储水箱与回灌管路之间的管路上连接的循环泵为高压柱塞泵，通过高压柱塞泵实现回灌，高压柱塞泵与回灌管路之间的管路上安装单向阀，防止井内流体的倒灌。

5.根据权利要求1所述的一种地热资源自动控压循环除砂开采系统，其特征在于所述的回灌管路和开采管路都包括内管和外管，所述的内管的下端伸至外管的底部，内管作为输水管，外管的上端与内管的外壁之间封闭，外管上端侧壁设有稳压口，稳压口通过管道与稳压罐连接。

6.根据权利要求1所述的一种地热资源自动控压循环除砂开采系统，其特征在于所述的沉砂口与沉砂池之间连接的管道的底部部分的管道设为泄压管道，所述的泄压管道的内径由上朝向下方直径逐渐减小，泄压管道的管壁上均布设有泄压孔，由于泄压管道的内径逐渐减小，而压力增大，可以使水经过侧面的泄压孔排出，避免因为通径管路直接对沉砂池底部的沉砂进行冲击。

7.根据权利要求1所述的一种地热资源自动控压循环除砂开采系统，其特征在于所述的开采管路的出水口与螺旋对流换热器之间设有泄压扩口管，泄压扩口管的缩口端与开采管路的出水口一侧连接，泄压扩口管的扩口端与螺旋对流换热器中涡流筒进料口连接。

8.一种地热资源自动控压循环除砂开采系统的开采方法，其特征在于开采步骤如下：

（1）首先进行压力试验，采用空气压缩机向回灌井注入高压空气，测试不同压力下开采井的涌水量与回灌井注入压力的关系，根据开采井的深度设置开采井稳压罐的压力数值P₂（P₂=ρgh），ρ为水的密度，g为当地重力加速度，h为开采井的深度，回灌井稳压罐的压力P₁要高于开采井稳压罐的压力P₂，并且满足P₁≥P₂+∆P，∆P为回灌井与开采井之间水力裂缝的沿程压力损失，在回灌井稳压罐逐渐升压至P₁的过程中，地热储层中的高温水源在压力的驱替作用下逐渐沿着水力裂缝向开采井流动，然后，启动与螺旋对流换热器连接的水力循环泵，使储水箱、水力循环泵、螺旋对流换热器形成闭式循环；

（2）空气压缩机将压缩空气通过自动调压系统注入回灌井稳压罐和开采井稳压罐，自动调压系统参数设计要求如下：

在正常未注气状态下，上活塞、连杆和下活塞的重力与弹簧的弹力相等，此时活塞受力平衡，整个活塞连杆系统处于行程的最低点，最低点位于回灌排气孔和连通孔之间，并且下活塞的上端面与回灌排气孔的下沿平齐，此时进气孔与回灌稳压罐连通，F_弹=（m_上活塞+m_连杆+m_下活塞）g=-kH，其中负号仅代表弹力的方向，g为当地重力加速度，k为弹簧的弹力系数，H为弹簧被拉伸的长度，

当开始注气时，注入的气体从进气孔流入调压套，并经过连通孔、下导气孔和回灌排气孔排出，由于下活塞距离下滑槽的底部还有腔隙，并且这部分腔隙经过连通孔、下导气孔和回灌排气孔流出气体的路径连通，所以部分气体流入下活塞的底部空腔内，并对下活塞形成推力，下活塞受力改变逐渐而向上运动，弹簧的弹力降低，注气压力抵消弹力和活塞连杆的重力，随着注气压力的增加，活塞上行的距离逐渐增大，当回灌稳压罐的压力达到P₁时，活塞上行的高度为H，弹簧恢复原始长度弹力为0，下活塞的推力与活塞连杆系统的重力相等，此时活塞连杆的合力为0，即P1*s2=（m_上活塞+m_连杆+m_下活塞）g，此时回灌排气孔恰好被下活塞完全封闭而下排气孔处于恰好刚要开启的状态，调压套内腔的压力恢复为0，由于此时活塞连杆的合力为0，但是活塞连杆的速度不为0，所以活塞继续保持向上运行的状态，自动调压系统经过下排气孔向开采井稳压罐注气，由于弹簧腔经过上排气孔与下排气孔的流道连通，因此部分气体也会流入弹簧腔，并且弹簧腔内气体的压力与开采井稳压罐的压力相同，随着活塞连杆上行距离的继续增大，弹簧逐渐被压缩，弹力的方向改变为向下，但是活塞运动的方向尚未改变，因此活塞保持上行并逐渐减速，当活塞上行速率降低至0时，活塞上行的距离为H，达到弹簧的压缩极限，此时下排气孔完全打开，此时回灌稳压罐内的压力为P，活塞连杆系统受到的合力为KH+P*(S3+S4-S1)- (m_上活塞18+m_连杆19+m_下活塞20）g-P₃*S₂，其中S3为上活塞的上端面面积，S2为下活塞下端面的面积，S1为上活塞的下端面面积与连杆截面面积之差，S4为下活塞上端面面积与连杆截面面积之差，P3为回灌井稳压罐的残余压力，由于地下高温地热水在压力作用下不断向开采井底部汇聚，因此开采井稳压罐的压力在降低，活塞连杆19系统合力不为0，在合力作用下，活塞下行，开采稳压罐继续增压，当开采井稳压罐压力达到P2时，弹簧再次恢复原始长度，活塞下行的距离为H，此时活塞连杆的合力再次为0，即P2*(S3+S4-S1)= (m_上活塞18+m_连杆19+m_下活塞20）g+P₄*S₂，S3为上活塞的上端面面积，S2为下活塞下端面的面积，S1为上活塞的下端面面积与连杆截面面积之差，S4为下活塞上端面面积与连杆截面面积之差，P4为回灌井稳压罐的残余压力，此时活塞从顶点下行的高度为H，而活塞处于下行速率的最大值，因此活塞保持下行并逐渐减速，回灌排气孔逐渐打开，并向回灌稳压罐注气增压，如此循环，实现回灌井稳压罐与开采井稳压罐压力的自动调节；

（3）当回灌井的稳压罐的压力达到P1以后，在自动调压机构的作用下，同时向开采井稳压罐和开采井注气，在向开采井稳压罐逐渐增压的过程中，由于地热储层的高温地热水，在回灌井内压缩空气的驱替作用下，沿着水力裂缝向开采井流动，因此回灌稳压罐内的气体经过回灌管路中的外管与内管之间的间隙不断注入回灌井，所以回灌井稳压罐的压力也是逐渐降低的，当开采井稳压罐的压力达到设定压力P2后，此时在开采井底部汇集的高温地热水在高压空气的驱替与举升作用下沿开采井的内部井管流出地面，并从螺旋对流换热器的切向入口快速流入，地热井采出的高温水中含有部分的泥沙颗粒，在螺旋对流换热器中，含有泥沙颗粒的高温水形成螺旋流，并且由于水和泥沙颗粒受到的离心力不同，而出现分层的现象，泥沙颗粒在螺旋对流换热器的涡流筒和锥筒沿壁面和部分水流落入沉沙口的沉砂池，从螺旋对流换热器流出的沙石颗粒被相对集中的收集在沉砂池的底部，此外，在螺旋对流换热器中，内层旋流的流体在高速作用下会导致溢流口会产生负压，这对内层旋流具有抽吸作用，因此在与换热介质完成对流换热过程后，低温地热水从螺旋对流换热器上部溢流口流出，从螺旋换热器流出的低温水经过储水箱中下部的注入口流入，此时水会在储水箱内完成一次沉积过程，之后从上部出口经高压柱塞泵抽出，经过管道和单向阀注入回灌井内，所述的沉砂池的水在达到一定水位后也补充至储水箱中，并随储水箱中的水经过高压柱塞泵一起回灌地下，所述的高压柱塞泵的压力要求如下：P柱塞泵>P1，在回灌时间大于5分钟后，打开回灌井稳压罐的阀门，高压空气沿着回灌井套管与井管的间隙注入回灌井中，首先会在回灌井的上部聚集，回灌水在井筒下部；随着压力的增加，在单向阀的作用下，逐渐将回灌井内的低温水再次沿水力裂缝注入地热储层，低温水在水力裂缝中与地热储层完成对流传热后转变为高温水，并在回灌井井内高压空气的驱替作用下再次流入并汇集在开采井底部，在开采井稳压罐高压空气的驱替与举升作用下，开采井底部汇集的高温地热水再次注入螺旋对流换热器中，实现除砂和对流换热的过程，由于回灌井井内的压力始终大于开采井井内的压力，所以此过程可以循环往复，实现地热资源的取热不采水过程，并且将除砂与对流传热的过程集中在一起。

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